74LS123芯片：雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器

74LS123是一款廣泛應(yīng)用的雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（Dual Retriggerable Monostable Multivibrator）。它屬于德州儀器（Texas Instruments）的74LS系列（Low-power Schottky）邏輯IC，以其低功耗和相對較快的開關(guān)速度而著稱。這款芯片的主要功能是根據(jù)輸入觸發(fā)信號產(chǎn)生一個(gè)寬度可調(diào)的輸出脈沖。由于其可重觸發(fā)特性，在脈沖輸出期間如果再次接收到觸發(fā)信號，輸出脈沖的計(jì)時(shí)會(huì)重新開始，從而延長輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間。這種特性使得74LS123在許多定時(shí)、脈沖生成、延時(shí)以及事件同步應(yīng)用中非常有用。

1. 74LS123引腳圖

74LS123通常采用16引腳雙列直插封裝（DIP-16）。為了便于理解其功能，我們首先詳細(xì)介紹其各個(gè)引腳的定義。理解每個(gè)引腳的作用是正確使用該芯片的基礎(chǔ)。

值得注意的是，74LS123芯片內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)立的、功能相同的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，因此其引腳也以“1”和“2”進(jìn)行區(qū)分，分別對應(yīng)兩個(gè)振蕩器。這種雙單元設(shè)計(jì)在需要同時(shí)處理兩個(gè)獨(dú)立定時(shí)任務(wù)時(shí)非常方便。

2. 74LS123功能描述

74LS123的核心功能是根據(jù)外部RC網(wǎng)絡(luò)（電阻和電容）的參數(shù)，在接收到有效觸發(fā)信號后，產(chǎn)生一個(gè)特定寬度的輸出脈沖。其獨(dú)特之處在于其可重觸發(fā)能力，以及多種觸發(fā)方式和清零功能。

2.1 工作原理概述

每個(gè)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器單元都包含一個(gè)內(nèi)部施密特觸發(fā)器輸入、一個(gè)觸發(fā)邏輯電路、一個(gè)精密計(jì)時(shí)電路以及一個(gè)輸出鎖存器。當(dāng)滿足特定的觸發(fā)條件時(shí)，計(jì)時(shí)電路開始充電或放電外部電容，同時(shí)輸出端狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)計(jì)時(shí)周期結(jié)束，即電容充放電達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，輸出端恢復(fù)到其非觸發(fā)狀態(tài)。

2.2 觸發(fā)方式

74LS123提供靈活的觸發(fā)機(jī)制，可以通過組合A和B輸入端的狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)：

• 下降沿觸發(fā)（反相觸發(fā)B）： 當(dāng)引腳A保持高電平或連接到VCC時(shí)，引腳B從高電平跳變到低電平會(huì)觸發(fā)脈沖。

• 上升沿觸發(fā)（非反相觸發(fā)A）： 當(dāng)引腳B保持低電平或連接到GND時(shí)，引腳A從低電平跳變到高電平會(huì)觸發(fā)脈沖。

• 組合觸發(fā)： 當(dāng)A輸入為高電平且B輸入從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，或當(dāng)B輸入為低電平且A輸入從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，都可以觸發(fā)。這提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。

需要注意的是，為了確保可靠觸發(fā)，未使用的觸發(fā)輸入端應(yīng)正確連接。例如，如果只使用A輸入進(jìn)行上升沿觸發(fā)，B輸入應(yīng)接地。如果只使用B輸入進(jìn)行下降沿觸發(fā)，A輸入應(yīng)接VCC。

2.3 輸出脈沖寬度控制

輸出脈沖的寬度（TW）由外部連接的電阻（R）和電容（C）決定。74LS123內(nèi)部集成了用于精確計(jì)時(shí)的比較器和參考電壓。通常，脈沖寬度可以通過以下近似公式計(jì)算：

TW=K×REXT×CEXT

其中，TW是脈沖寬度，$R_{EXT}$是外部電阻的阻值（單位：歐姆），$C_{EXT}$是外部電容的容值（單位：法拉）。K是一個(gè)常數(shù)，對于74LS123，通常在0.22到0.33之間，具體值會(huì)因不同的制造商和工作條件而略有差異。在使用時(shí)，建議參考芯片的數(shù)據(jù)手冊以獲取最精確的計(jì)算公式和推薦的R、C范圍。

外部RC網(wǎng)絡(luò)連接注意事項(xiàng)：

• 電阻R： 應(yīng)連接在RC引腳（1RC/2RC）和VCC之間。推薦的電阻范圍通常在1kΩ到數(shù)兆歐姆。過小的電阻可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部電流過大，過大的電阻可能導(dǎo)致脈沖寬度不穩(wěn)定或受噪聲影響。

• 電容C： 應(yīng)連接在C引腳（1C/2C）和GND之間。電容的類型對脈沖的穩(wěn)定性有重要影響。通常推薦使用鉭電容或陶瓷電容，它們具有較好的溫度穩(wěn)定性和較低的漏電流。電解電容雖然容量大，但其ESR（等效串聯(lián)電阻）和漏電流可能對定時(shí)精度產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是在短脈沖應(yīng)用中。

通過選擇合適的R和C值，74LS123可以生成從幾十納秒到幾十秒甚至更長時(shí)間的脈沖。

2.4 可重觸發(fā)特性

這是74LS123的一個(gè)關(guān)鍵特性。當(dāng)芯片被觸發(fā)后，如果在一個(gè)輸出脈沖周期結(jié)束之前再次接收到有效的觸發(fā)信號，則當(dāng)前正在進(jìn)行的脈沖計(jì)時(shí)會(huì)被重置，并從頭開始新的計(jì)時(shí)周期。這意味著輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間會(huì)延長，直到在設(shè)定的脈沖寬度時(shí)間內(nèi)不再有新的觸發(fā)信號到來。

這種特性在以下應(yīng)用中非常有用：

• 缺失脈沖檢測器： 如果輸入脈沖鏈中斷，74LS123的輸出將恢復(fù)到其非觸發(fā)狀態(tài)，從而指示脈沖缺失。

• 看門狗定時(shí)器： 在微控制器系統(tǒng)中，74LS123可以作為看門狗定時(shí)器，如果微控制器未能定期“喂狗”（發(fā)送觸發(fā)信號），74LS123的輸出將翻轉(zhuǎn)，可以用于復(fù)位系統(tǒng)。

• 脈沖展寬： 對于持續(xù)時(shí)間不確定的輸入事件，74LS123可以將其“展寬”為一個(gè)固定最小寬度的脈沖，確保后續(xù)電路有足夠的時(shí)間響應(yīng)。

2.5 清除/復(fù)位功能（CLR）

每個(gè)單穩(wěn)態(tài)單元都帶有一個(gè)低電平有效的清除（CLR）輸入端（1CLR/2CLR）。當(dāng)此引腳被拉低時(shí)，無論當(dāng)前的觸發(fā)狀態(tài)或計(jì)時(shí)進(jìn)度如何，輸出脈沖（Q端）都會(huì)立即終止，并強(qiáng)制恢復(fù)到其非觸發(fā)狀態(tài)（Q為低電平，$overline{ ext{Q}}$為高電平）。同時(shí)，內(nèi)部計(jì)時(shí)器也會(huì)復(fù)位，為下一次觸發(fā)做好準(zhǔn)備。

這個(gè)功能在需要緊急停止脈沖或在特定條件下重置芯片狀態(tài)時(shí)非常有用。例如，在一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，如果某個(gè)故障發(fā)生，可以通過拉低CLR引腳來立即停止所有相關(guān)的定時(shí)操作。

3. 74LS123應(yīng)用場景

由于其獨(dú)特的功能和靈活性，74LS123在電子設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用：

• 脈沖發(fā)生器： 生成特定寬度的脈沖信號，例如用于控制繼電器、LED閃爍、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

• 延時(shí)電路： 實(shí)現(xiàn)信號的延時(shí)，例如在數(shù)字通信中同步信號、在控制系統(tǒng)中提供操作延時(shí)等。

• 定時(shí)器： 作為各種定時(shí)應(yīng)用的基石，例如定時(shí)開關(guān)、時(shí)間間隔測量等。

• 頻率分頻器： 雖然不是其主要功能，但通過巧妙的外部連接，可以實(shí)現(xiàn)簡單的頻率分頻。

• 缺失脈沖檢測： 監(jiān)測輸入信號是否持續(xù)存在，如果信號中斷則發(fā)出警報(bào)。

• 看門狗定時(shí)器： 在微控制器或嵌入式系統(tǒng)中，防止程序崩潰或死循環(huán)，當(dāng)程序停止響應(yīng)時(shí)觸發(fā)復(fù)位。

• 波形整形： 將不規(guī)則的輸入脈沖整形為固定寬度、更清晰的脈沖。

• 觸摸傳感器： 結(jié)合外部RC網(wǎng)絡(luò)，可以用于簡單的觸摸感應(yīng)應(yīng)用，通過人體接觸改變電容值來觸發(fā)脈沖。

• 開關(guān)去抖動(dòng)： 機(jī)械開關(guān)在閉合或斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，74LS123可以用于消除這些抖動(dòng)，確保只產(chǎn)生一個(gè)干凈的脈沖信號。

• 數(shù)據(jù)總線仲裁： 在多主設(shè)備系統(tǒng)中，可以用于生成總線請求或總線授予的定時(shí)信號。

4. 74LS123與其他單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的比較

在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器家族中，除了74LS123，還有其他一些常見的芯片，例如555定時(shí)器（作為單穩(wěn)態(tài)模式使用）和一些CMOS系列（如74HC123）。

• 與555定時(shí)器比較：

• 優(yōu)點(diǎn)： 74LS123是可重觸發(fā)的，而標(biāo)準(zhǔn)555定時(shí)器在單穩(wěn)態(tài)模式下是不可重觸發(fā)的。這意味著一旦555定時(shí)器被觸發(fā)，在脈沖持續(xù)期間它將忽略所有后續(xù)的觸發(fā)信號，直到當(dāng)前脈沖結(jié)束。74LS123的觸發(fā)輸入是施密特觸發(fā)器，對輸入噪聲具有更高的抗干擾能力。74LS123通常具有更快的響應(yīng)速度和更精確的定時(shí)能力，特別是在較短的脈沖寬度下。此外，74LS123是雙單元的，而555是單單元。

• 缺點(diǎn)： 555定時(shí)器在設(shè)置長延時(shí)時(shí)更具優(yōu)勢，因?yàn)樗梢允褂酶蟮腞C值。555定時(shí)器的供電電壓范圍通常更寬。555定時(shí)器的電路連接相對簡單。

• 與CMOS系列（如74HC123）比較：

• 優(yōu)點(diǎn)： 74HC123是CMOS技術(shù)，通常具有更低的功耗和更寬的供電電壓范圍。在某些應(yīng)用中，CMOS版本可能對電源噪聲更不敏感。

• 缺點(diǎn)： 74LS123是LS（Low-power Schottky）技術(shù)，通常在速度上略有優(yōu)勢，但在高頻應(yīng)用中可能存在功耗和噪聲問題。

選擇哪種芯片取決于具體的應(yīng)用需求，包括脈沖寬度范圍、觸發(fā)方式、是否需要重觸發(fā)、功耗預(yù)算、電源電壓以及成本等因素。

5. 使用74LS123的注意事項(xiàng)和設(shè)計(jì)技巧

在使用74LS123進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)以確保其穩(wěn)定可靠地工作：

• 電源去耦： 在VCC和GND引腳之間靠近芯片放置一個(gè)0.1$muF到1mu$F的陶瓷去耦電容。這有助于濾除電源噪聲，確保芯片的穩(wěn)定工作，特別是在高速開關(guān)或脈沖應(yīng)用中。

• RC網(wǎng)絡(luò)的選擇：

• 電阻R： 應(yīng)選擇高精度的金屬膜電阻，以獲得更好的定時(shí)精度。避免使用線繞電阻，因?yàn)樗鼈兛赡芤腚姼行?yīng)。

• 電容C： 選擇低ESR、低漏電流的電容至關(guān)重要。對于較短的脈沖（納秒到微秒），陶瓷電容是理想選擇。對于較長的脈沖（毫秒到秒），鉭電容是更好的選擇，因?yàn)樗鼈兙哂懈玫娜萘糠€(wěn)定性。避免使用普通電解電容，尤其是在需要高精度或?qū)挏囟确秶膽?yīng)用中。

• 布線： RC網(wǎng)絡(luò)和芯片引腳之間的布線應(yīng)盡可能短和粗，以減少寄生電阻和電感對計(jì)時(shí)精度的影響。

• 輸入信號： 觸發(fā)輸入信號應(yīng)具有清晰的上升沿或下降沿，并且電壓擺幅應(yīng)符合TTL邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)。模糊的或緩慢變化的輸入信號可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的觸發(fā)。

• 未使用的引腳處理： 未使用的觸發(fā)輸入引腳（A或B）應(yīng)根據(jù)其觸發(fā)邏輯正確連接到VCC或GND，而不是懸空。未使用的CLR引腳應(yīng)連接到VCC，以防止意外復(fù)位。

• 溫度效應(yīng)： RC網(wǎng)絡(luò)的值會(huì)受到溫度的影響，從而影響脈沖寬度。在對溫度敏感的應(yīng)用中，應(yīng)考慮使用溫度系數(shù)較低的電阻和電容，或者進(jìn)行溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

• 重觸發(fā)的應(yīng)用： 在利用可重觸發(fā)特性時(shí)，要確保觸發(fā)信號的頻率和持續(xù)時(shí)間與設(shè)定的脈沖寬度相匹配，以避免意外的脈沖延長或縮短。

• 負(fù)載能力： 74LS123的輸出驅(qū)動(dòng)能力有限。在驅(qū)動(dòng)較大電流負(fù)載（如多個(gè)LED或繼電器線圈）時(shí)，應(yīng)使用緩沖器或晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以避免過載。

6. 總結(jié)

74LS123是一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。它能夠根據(jù)外部RC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生可調(diào)寬度的脈沖，并具備靈活的觸發(fā)方式、可重觸發(fā)特性以及清除功能。這使得它在定時(shí)、延時(shí)、脈沖整形、看門狗以及許多其他數(shù)字和模擬混合信號應(yīng)用中成為不可或缺的組件。

通過深入理解其引腳功能、工作原理和應(yīng)用注意事項(xiàng)，工程師可以充分發(fā)揮74LS123的潛力，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的電子系統(tǒng)。在選擇該芯片時(shí)，務(wù)必查閱最新的數(shù)據(jù)手冊，以獲取精確的參數(shù)、推薦的操作條件以及詳細(xì)的應(yīng)用電路示例。